人工智能在推動社會進(jìn)步的同時(shí)，其極致的運(yùn)算能力，也帶來了全球設(shè)備高能耗的棘手難題。
作為AI智算中心存儲的關(guān)鍵部件，SSD的低碳和可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。
實(shí)現(xiàn)低碳科技離不開低功耗設(shè)計(jì)。今天，我們來探討一下低功耗技術(shù)——Modern Standby，以及如何將其應(yīng)用于SSD的低功耗設(shè)計(jì)。
Modern Standby是Microsoft推出的一種比傳統(tǒng)S3方案更先進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)，用以改善電池續(xù)航時(shí)間和電源狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，使Windows計(jì)算機(jī)能夠像智能手機(jī)一樣更快地在打開或關(guān)閉狀態(tài)之間完成轉(zhuǎn)換。
篇幅有限，小編結(jié)合低功耗開發(fā)經(jīng)驗(yàn)篩選信息來簡要闡述它和SSD之間的聯(lián)系。
1、 傳統(tǒng)S3與Modern Standby
S3：傳統(tǒng)的待機(jī)模式S3會觸發(fā)計(jì)算機(jī)關(guān)閉CPU以及所有耗電組件和設(shè)備的電源，同時(shí)將數(shù)據(jù)保留在系統(tǒng)內(nèi)存(RAM)中。計(jì)算機(jī)只有設(shè)定的兩種狀態(tài)：打開和關(guān)閉。進(jìn)入S3時(shí)，斷開 CPU/SoC 部分的供電，這時(shí)芯片里的寄存器會被清空；退出S3時(shí)，需要重新初始化寄存器，這就是從 S3 恢復(fù)成 S0 時(shí)需要一點(diǎn)時(shí)間的原因。
Modern Standby：實(shí)現(xiàn)了動態(tài)掉電的特性，漸進(jìn)式的掉電方式滿足了客戶后臺任務(wù)需求，同時(shí)達(dá)到增加續(xù)航的目的。系統(tǒng)不使用的組件將逐層關(guān)閉電源，需要恢復(fù)業(yè)務(wù)時(shí)可以快速退出睡眠狀態(tài)。恢復(fù)現(xiàn)場也有軟硬件支撐完成恢復(fù)，從而在睡眠和恢復(fù)之間實(shí)現(xiàn)更快的轉(zhuǎn)換。
Modern Standby進(jìn)入：CPU/SoC 內(nèi)部有一枚專門的芯片按照下圖的步驟，一步步把對應(yīng)寄存器區(qū)域的狀態(tài)保存在 CPU/SoC 內(nèi)部的RAM中，再切斷電源。
如圖所示，所需要功耗從上到下依次變小，且每層的任務(wù)都完成以后才會操作下一層的掉電。
首先，CPU/SoC 外部的所有設(shè)備都必須進(jìn)入低功率模式，也就是 Sx 對應(yīng)的 Dx 為最低的設(shè)備電源狀態(tài)。在此期間，這些設(shè)備會使用較少的輔助電源來維持連接，并在必要時(shí)喚醒 CPU/SoC 。在CPU/SoC外部的所有設(shè)備都斷電后，CPU/SoC 的芯片組和非處理器核心也將進(jìn)入低功率模式，這可以進(jìn)一步節(jié)約能源。在這之后，就是處理核心 CPU 和 GPU 以及位于最后的一些其他電路了。
如果中間有任何一個(gè)部件拒絕進(jìn)入低功耗狀態(tài)，那么整個(gè)鏈路就會中斷，重新回到S0。
Modern Standby可以在屏幕關(guān)閉的狀態(tài)下，繼續(xù)完成后臺task，直到后臺task完成，再進(jìn)入和S3差不多的低功耗狀態(tài)。觸發(fā)喚醒時(shí)，Modern Standby可以通過睡眠前備份的現(xiàn)場文件完成快速恢復(fù)。讓設(shè)備實(shí)現(xiàn)既有S0響應(yīng)速度，又有S3的功耗控制能力。
因此，Modern Standby的諸多優(yōu)勢它取代了S3睡眠模式，實(shí)現(xiàn)了Windows睡眠模式的安靜、低功耗的目標(biāo)。
2、系統(tǒng) & 與設(shè)備電源狀態(tài)
接著聊Modern Standby進(jìn)入準(zhǔn)S3模式后，系統(tǒng)電源狀態(tài)與設(shè)備端的電源狀態(tài)之間的關(guān)系。
ACPI(Advanced Configuration and Power Interface)該標(biāo)準(zhǔn)為系統(tǒng)、硬件組件等定義了不同的電源級別，其中，Sx定義了系統(tǒng)整體的電源狀態(tài)，而Dx則定義了主板上硬件設(shè)備的電源狀態(tài)（x代表等級）。
在ACPI規(guī)范中，系統(tǒng)整體的電源狀態(tài)（即 Sx狀態(tài)）從S0到S5共分六級，如下圖所示：
ACPI也為硬件設(shè)備規(guī)定了不同的電源狀態(tài)。
D0：類似于S0，此時(shí)設(shè)備完全開啟，正常工作狀態(tài)。
D3：此時(shí)設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)，不能工作。
D3下有兩個(gè)子狀態(tài)：D3hot狀態(tài)中，設(shè)備仍然連接著主電源，微量耗電，總線控制器能檢測到設(shè)備；而D3cold則是完全斷電，無法檢測到設(shè)備。
D1-D2：這是D0、D3的中間狀態(tài)，設(shè)備的部分功能正常，相對于D0而言，功耗更低。
在設(shè)備管理器中，我們找到了他們的聯(lián)系：
設(shè)備的電源狀態(tài)由對應(yīng)的驅(qū)動程序控制，驅(qū)動程序可以相對獨(dú)立地控制設(shè)備狀態(tài)。如圖所示，顯示器的系統(tǒng)電源狀態(tài)和設(shè)備電源狀態(tài)映射關(guān)系。系統(tǒng)在S3狀態(tài)時(shí)，設(shè)備最低可以處于D3狀態(tài)。
3、設(shè)備Dx狀態(tài)和PCIe協(xié)議Lx的聯(lián)系
Dx和Lx的對應(yīng)關(guān)系，邊界比較模糊。如協(xié)議所示，上行設(shè)備處于D3hot狀態(tài)時(shí)，容許的上行設(shè)備只能處于D0-D3hot狀態(tài)，對應(yīng)SSD盤的PCIe低功耗狀態(tài)只能是L1/L2/L3狀態(tài)。
以憶芯的SSD硬盤進(jìn)入深度低功耗狀態(tài)為例：當(dāng)盤處于PS4狀態(tài)時(shí)，此時(shí)對應(yīng)的PCIe低功耗狀態(tài)是L1.2狀態(tài)，對應(yīng)的設(shè)備狀態(tài)是D0-D3hot狀態(tài)。此時(shí)，系統(tǒng)電源狀態(tài)參考驅(qū)動映射的關(guān)系。
4、和Nvme協(xié)議低功耗的關(guān)系
Modern Standby
在S0狀態(tài)通過備份CPU/SOC寄存器，利用混合低功耗實(shí)現(xiàn)技術(shù)，把系統(tǒng)電源管理的S0狀態(tài)動態(tài)的轉(zhuǎn)化為S3狀態(tài)，設(shè)備根據(jù)映射關(guān)系進(jìn)入到D3狀態(tài)。
D3狀態(tài)
D3Hot設(shè)備進(jìn)入D3：Vcc還在，設(shè)備可被軟件枚舉；通過向功耗管理控制和狀態(tài)寄存器（PMCSR）的PowerState字段寫入適當(dāng)?shù)闹?，軟件將功能置于D3熱態(tài)。
D3Hot退出條件：如果從設(shè)備中斷電（Vcc），則從D3熱態(tài)轉(zhuǎn)換為D3冷態(tài)。軟件可以寫入Function的PMCSR寄存器的PowerState字段，將其PM狀態(tài)更改為D0。
D3Cold：設(shè)備完全切斷電源，重新上電時(shí)系統(tǒng)需要重新初始化設(shè)備。當(dāng)功能斷電（Vcc）時(shí)，每個(gè)PCI Express功能都進(jìn)入D3冷態(tài)的功耗管理狀態(tài)。當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，設(shè)備必須進(jìn)行復(fù)位或生成內(nèi)部復(fù)位，將其從D3冷態(tài)轉(zhuǎn)換到D0未初始化態(tài)。
在Modern Standby模式下，隨著動態(tài)的電源控制，盤也會根據(jù)主機(jī)行為切換低功耗的狀態(tài)。
以憶芯1200L SSD硬盤為例，隨著Modern Standby在自適應(yīng)切換狀態(tài)的過程中，固態(tài)硬盤也會動態(tài)的切換著低功耗等級。SSD設(shè)備根據(jù)主機(jī)端的workload信息同步動態(tài)的切換低功耗等級，由PS1逐漸切換到PS2/PS3直到系統(tǒng)沒有業(yè)務(wù)，在Modern Standby模式下動態(tài)的進(jìn)入準(zhǔn)S3狀態(tài)，SSD設(shè)備也會根據(jù)監(jiān)控信息進(jìn)入到PS4深度低功耗狀態(tài)。
其他設(shè)備也諸如此類，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整機(jī)功耗的降低。
軟硬件設(shè)計(jì)邏輯的改進(jìn)，使得Modern Standby實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的低功耗能力，隨著低功耗技術(shù)的廣泛的應(yīng)用，低功耗技術(shù)會在上層系統(tǒng)設(shè)計(jì)、協(xié)議、芯片設(shè)計(jì)以及SSD固件方案上進(jìn)一步地發(fā)展，節(jié)能、低碳方案將有更大的應(yīng)用前景。
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